Nuklearni sat je najprecizniji i najstabilniji metod merenja vremena

Decenijama su atomski satovi predstavljali vrhunac preciznosti u merenju vremena, omogućavajući GPS navigaciju, testiranje fundamentalnih fizičkih teorija i napredna naučna istraživanja. Međutim, naučnici sada istražuju još stabilniji metod vremenskog merenja – nuklearni sat. Ovaj revolucionarni uređaj koristi nuklearnu tranziciju torijuma-229, čime bi mogao doneti neviđenu tačnost u praćenju vremena.

Istraživači iz JILA instituta, pod vođstvom Džuna Đija, profesora fizike na Univerzitetu Kolorado u Bulderu i člana Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju (NIST), u saradnji sa Tehničkim univerzitetom u Beču, nedavno su objavili novu studiju koja istražuje kako temperatura utiče na nuklearne tranzicije u torijumu-229. Njihova otkrića predstavljaju ključni korak ka razvoju ultra-preciznog nuklearnog sata, koji bi mogao nadmašiti atomske satove u stabilnosti i otpornosti na spoljašnje uticaje, piše Phys.org.

Preporučujemo

Zašto baš torijum-229? Među svim poznatim nuklearnim tranzicijama, ovaj izotop je jedinstven jer poseduje izuzetno nisku energetsku tranziciju u svom jezgru. To znači da se može pobuditi ultraljubičastim laserom, za razliku od drugih nuklearnih tranzicija koje zahtevaju visokoenergetske gama zrake.

- Jezgro atoma je mnogo otpornije na spoljašnje uticaje od njegovog elektronskog omotača, što znači da bi nuklearni sat bio znatno stabilniji u poređenju sa atomskim satovima, posebno u promenljivim uslovima okruženja - objašnjava Đi.

U dosadašnjim istraživanjima, naučnici su se fokusirali na merenje torijuma-229 u zarobljenim jonima, ali tim iz JILA primenio je drugačiji pristup. Umesto toga, torijum-229 je ugrađen u kristal kalcijum-fluorida (CaF₂), što omogućava mnogo veću gustinu torijumovih jezgara i jači signal u eksperimentima. Ova tehnika, razvijena u saradnji sa Tehničkim univerzitetom u Beču, omogućava precizniju stabilizaciju tranzicije torijuma-229.

U istraživanju, objavljenom u Physical Review Letters, naučnici su proučavali kako se frekvencija nuklearne tranzicije menja kada se torijum-dopirani kristal zagreva i hladi. Oni su testirali tri različite temperature: 150K (-123°C), hlađenjem pomoću tečnog azota, 229K (-44°C), korišćenjem mešavine suvog leda i metanola, i 293K (sobna temperatura).

Pomoću laserskog frekventnog češlja, merili su kako se nuklearna tranzicija menja pri svakoj temperaturi i identifikovali dve suprotstavljene fizičke pojave u kristalu.

Prvi efekat je širenje kristalne rešetke usled zagrevanja, koje je menjalo električno polje i izazivalo cepanje spektralnih linija torijumove tranzicije. Drugi efekat je promena gustine naelektrisanja u kristalu, što je uticalo na interakciju elektrona sa jezgrom i pomeralo spektralne linije u istom pravcu.

Međutim, istraživači su otkrili jednu specifičnu tranziciju koja je bila izuzetno stabilna – efekti su se gotovo poništili, pa je pomak frekvencije iznosio samo 62 kHz, što je 30 puta manje u poređenju sa drugim tranzicijama.

- Ova tranzicija pokazuje veliki potencijal za primenu u satovima. Ako je dodatno stabilizujemo, mogla bi značiti revoluciju u preciznom merenju vremena - ističe Čuankun Džang, student doktorskih studija u JILA.

Naučnici sada nastavljaju istraživanja kako bi pronašli temperaturnu "zlatnu tačku", gde bi tranzicija bila praktično potpuno nezavisna od temperature. Preliminarni podaci sugerišu da bi idealan temperaturni opseg mogao biti između 150K i 229K.

- Ovo je prvi korak ka karakterizaciji sistematskih efekata nuklearnog sata. Pronašli smo tranziciju koja je relativno neosetljiva na temperaturu, što je ključno za precizno merenje vremena - kaže dr Džejkob Higins, glavni autor studije.

Kako bi ostvarili ovako precizna merenja, naučnici su morali da koriste specijalno dizajniranu opremu. Većina komercijalno dostupnih komponenti jednostavno nije dovoljno precizna za ovakve eksperimente.

Tim JILA laboratorije oslanjao se na sopstvenu mehaničku radionicu, gde su stručnjaci izradili ključne delove eksperimentalnog sistema. Oni su izradili nosač kristala i delove rashladnog sistema, koji su nam omogućili preciznu kontrolu temperature.

Osim preciznog merenja vremena, nuklearni sat bi mogao igrati ključnu ulogu u fundamentalnoj fizici. Nuklearna tranzicija torijuma-229 je izuzetno stabilna, ali istovremeno i veoma osetljiva na promene osnovnih fizičkih sila. Svaka neočekivana promena frekvencije mogla bi ukazivati na prisustvo tamne materije ili druge fenomene van Standardnog modela fizike.

Naučnici su napravili značajan korak ka razvoju nuklearnog sata, istražujući kako temperatura utiče na nuklearnu tranziciju torijuma-229. Njihova otkrića ukazuju da postoji specifičan temperaturni opseg u kojem bi sat bio izuzetno stabilan, što bi omogućilo neviđenu preciznost u merenju vremena.

Osim primene u satovima, istraživanja torijumove tranzicije mogla bi doprineti i fundamentalnoj fizici, otkrivajući nove sile i pojave u svemiru. Ako se stabilizuje na željenom nivou, nuklearni sat bi mogao postati najprecizniji merni instrument u istoriji.

(Telegraf Nauka / Phys.org)